Цацраг идэвхт байдлын судалгааны түүх 1896 оны 3-р сарын 1-нд Францын нэрт эрдэмтэн Анри Беккерел ураны давсны цацрагийн нэгэн хачирхалтай байдлыг санамсаргүйгээр илрүүлснээр эхэлсэн. Дээжтэй нэг хайрцагт байрлуулсан гэрэл зургийн хавтанг гэрэлтүүлсэн нь тогтоогдсон. Уран нь хачирхалтай, өндөр нэвтрэлттэй цацрагийг үүнд хүргэсэн. Энэ шинж чанар нь үечилсэн хүснэгтийг дүүргэдэг хамгийн хүнд элементүүдээс олдсон. Үүнийг "цацраг идэвхит" гэж нэрлэсэн.
Цацраг идэвхит шинж чанаруудыг танилцуулж байна
Энэ процесс нь элементийн бөөмс (электрон, гелийн атомын цөм) нэгэн зэрэг ялгарч, элементийн изотопын атомыг өөр изотоп болгон аяндаа хувиргах үйл явц юм. Атомын хувирал нь гаднаас энерги шингээх шаардлагагүй аяндаа явагдсан. Цацраг идэвхт задралын үед энерги ялгарах үйл явцыг тодорхойлдог гол хэмжигдэхүүнийг идэвхжил гэнэ.
Цацраг идэвхт дээжийн идэвхжил нь тухайн дээжийн нэгж хугацааны задралын боломжит тоо юм. SI (System International)түүний хэмжих нэгжийг беккерел (Bq) гэж нэрлэдэг. 1 беккерелд ийм дээжийн идэвхийг авдаг бөгөөд үүнд дунджаар секундэд 1 задрал гардаг.
А=λN, энд λ нь задралын тогтмол, N нь дээж дэх идэвхтэй атомын тоо.
α, β, γ задралыг салга. Харгалзах тэгшитгэлийг нүүлгэн шилжүүлэх дүрэм гэж нэрлэдэг:
| гарчиг | Юу болоод байна | Урвалын тэгшитгэл |
| α-задаргаа | гелийн атомын цөм ялгарснаар атомын X цөм Y цөм болж хувирах |
ZAX→Z-2YA- 4 +2Тэр4 |
| β - задрал | атомын X цөмийг электрон ялгаруулж Y цөм болгон хувиргах | ZAX→Z+1YA +-1eA |
| γ - задрал | цөмд өөрчлөлт орохгүй, энерги нь цахилгаан соронзон долгион хэлбэрээр ялгардаг | ZXA→ZXA +γ |
Цацраг идэвхт байдлын хугацааны интервал
Бөөмийн задрах моментийг тухайн атомын хувьд тодорхойлох боломжгүй. Түүний хувьд энэ нь хэв маяг гэхээсээ илүү "осол" юм. Энэ үйл явцыг тодорхойлдог энергийн ялгаралтыг дээжийн идэвхжил гэж тодорхойлдог.
Өгөгдсөн дээжийн атомын яг тал хувь нь задрах үе байдаг нь тогтоогдсон. Энэ хугацааны интервалыг "хагас задралын хугацаа" гэж нэрлэдэг. Энэ ойлголтыг нэвтрүүлэх нь ямар учиртай юм бэ?
Хагас задрал гэж юу вэ?
Өгөгдсөн дээж дэх бүх идэвхтэй атомын яг тал хувь нь тодорхой хугацааны дараа задарсан бололтой. Гэхдээ энэ нь хоёр хагас задралын хугацаанд бүх идэвхтэй атомууд бүрэн ялзарна гэсэн үг үү? Огт үгүй. Тодорхой хормын дараа цацраг идэвхт элементүүдийн тал нь дээжинд үлдэж, ижил хугацааны дараа үлдсэн атомуудын тал хувь нь задрах гэх мэт. Энэ тохиолдолд цацраг нь удаан хугацааны туршид үлдэж, хагас задралын хугацааг мэдэгдэхүйц давдаг. Энэ нь цацрагаас үл хамааран идэвхтэй атомууд дээжинд үлдэнэ гэсэн үг
Хагас задралын хугацаа нь зөвхөн тухайн бодисын шинж чанараас хамаарах утга юм. Хэмжээний утгыг олон мэдэгдэж буй цацраг идэвхт изотопуудад тодорхойлсон.
Хүснэгт: "Бие даасан изотопуудын задралын хагас задралын хугацаа"
| Нэр | Зориулалт | Муудалтын төрөл | Хагас задралын |
| Радиум |
88Ra219 |
альфа | 0, 001 секунд |
| Магни | 12Mg27 | бета | 10 минут |
| Радон | 86Rn222 | альфа | 3, 8 шөнө |
| Кобальт | 27Co60 | бета, гамма | 5, 3 жил |
| Радиум | 88Ra226 | альфа, гамма | 1620 жил |
| Uranus | 92U238 | альфа, гамма | 4.5 тэрбум жил |
Хагас задралын хугацааг туршилтаар тодорхойлно. Лабораторийн судалгааны явцад үйл ажиллагааг дахин дахин хэмждэг. Лабораторийн дээж нь хамгийн бага хэмжээтэй (судлаачийн аюулгүй байдал хамгийн чухал) тул туршилтыг өөр өөр хугацааны интервалтайгаар олон удаа давтан хийдэг. Энэ нь бодисын идэвхжил өөрчлөгдөх тогтмол байдалд суурилдаг.
Хагас задралын хугацааг тодорхойлохын тулд тухайн дээжийн идэвхийг тодорхой хугацааны интервалаар хэмждэг. Энэ үзүүлэлт нь ялзарсан атомын тоотой холбоотой болохыг харгалзан цацраг идэвхт задралын хуулийг ашиглан хагас задралын хугацааг тодорхойлно.
Изотопын тодорхойлолтын жишээ
Өгөгдсөн агшинд судлагдсан изотопын идэвхтэй элементийн тоог N, ажиглалт хийх хугацааны интервал t2- t 1, ажиглалтын эхлэх болон дуусах цаг хангалттай ойрхон байна. n нь өгөгдсөн хугацааны интервалд задарсан атомын тоо гэж бодъё, тэгвэл n=KN(t2- t1).
Энэ илэрхийлэлд K=0.693/T½ нь пропорциональ байдлын коэффициент бөгөөд үүнийг задралын тогтмол гэж нэрлэдэг. T½ - изотопын хагас задралын хугацаа.
Цагийн интервалыг нэгжээр авч үзье. Энэ тохиолдолд K=n/N нь нэгж хугацаанд задралд орж буй изотопын цөмийн эзлэх хувийг илэрхийлнэ.
Муудалтын тогтмолын утгыг мэдсэнээр задралын хагас задралын хугацааг мөн тодорхойлж болно: T½=0.693/K.
Эндээс үзэхэд нэгж хугацаанд тодорхой тооны идэвхтэй атомууд задрахгүй, харин тэдгээрийн тодорхой хувь нь задардаг.
Цацраг идэвхт задралын хууль (LRR)
Хагас задралын хугацаа нь RRR-ийн үндэс юм. Энэ загварыг Фредерико Содди, Эрнест Рутерфорд нар 1903 онд хийсэн туршилтын судалгааны үр дүнд үндэслэн гаргаж авсан. Гайхалтай нь 20-р зууны эхэн үеийн нөхцөлд төгс бус төхөөрөмжүүдээр хийсэн олон хэмжилт нь үнэн зөв, боломжийн үр дүнд хүргэсэн. Энэ нь цацраг идэвхт байдлын онолын үндэс болсон. Цацраг идэвхт задралын хуулийн математик тэмдэглэгээг гаргая.
- N0нь тухайн цаг үеийн идэвхтэй атомын тоо гэж үзье. Дараа ньхугацааны интервал t, N элемент задрахгүй хэвээр үлдэнэ.
- Хагас задралын хугацаатай тэнцэх үед идэвхтэй элементүүдийн яг тал хувь нь үлдэх болно: N=N0/2.
- Хагас задралын өөр хугацааны дараа дээжинд дараах зүйл үлдэнэ: N=N0/4=N0/22 идэвхтэй атомууд.
- Хагас задралын хугацаа өнгөрсний дараа дээж зөвхөн дараахыг хадгална: N=N0/8=N0/ 23.
- n хагас задралын хугацаа өнгөрөхөд дээжинд N=N0/2идэвхтэй тоосонцор үлдэнэ. Энэ илэрхийлэлд n=t/T½: судлах хугацаа ба хагас задралын харьцаа.
- ZRR нь арай өөр математик илэрхийлэлтэй, бодлого шийдвэрлэхэд илүү тохиромжтой: N=N02-t/ T½.
Загвар нь хагас задралын хугацаанаас гадна тухайн үед задраагүй идэвхтэй изотопын атомын тоог тодорхойлох боломжийг олгодог. Ажиглалтын эхэнд дээжийн атомын тоог мэдсэнээр хэсэг хугацааны дараа энэ эмийн ашиглалтын хугацааг тодорхойлох боломжтой.
Цацраг идэвхт задралын хуулийн томьёо нь тодорхой үзүүлэлтүүд байгаа тохиолдолд л хагас задралын хугацааг тодорхойлоход тусална: дээж дэх идэвхтэй изотопын тоо, үүнийг олоход нэлээд хэцүү.
Хуулийн үр дагавар
Та эмийн идэвхжил, атомын массын ойлголтыг ашиглан RRR томьёог бичиж болно.
Идэвх нь цацраг идэвхт атомын тоотой пропорциональ: A=A0•2-t/T. Энэ томъёонд A0 нь цаг хугацааны анхны агшин дахь дээжийн идэвхжил, A ньt секундын дараа идэвхжил, T - хагас задралын хугацаа.
Материйн массыг загварт ашиглаж болно: m=m0•2-t/T
Ямар нэгэн ижил хугацааны интервалд энэ эмэнд агуулагдах цацраг идэвхт атомын яг ижил хувь хэмжээ задардаг.
Хуулийн хэрэглэх хязгаар
Хууль нь бүх утгаараа статистик бөгөөд бичил ертөнцөд болж буй үйл явцыг тодорхойлдог. Цацраг идэвхит элементүүдийн хагас задралын хугацаа нь статистикийн үзүүлэлт болох нь тодорхой. Атомын цөм дэх үйл явдлын магадлалын шинж чанар нь дурын цөм ямар ч мөчид задарч болно гэдгийг харуулж байна. Үйл явдлыг урьдчилан таамаглах боломжгүй, зөвхөн тухайн цаг мөчид түүний магадлалыг тодорхойлох боломжтой. Үүний үр дүнд хагас задралын хугацаа нь утгагүй болно:
- нэг атомын хувьд;
- хамгийн бага жингийн дээж.
Атомын амьдрах хугацаа
Атом анхны төлөвөөрөө байх нь нэг секунд, магадгүй хэдэн сая жил үргэлжилдэг. Мөн энэ бөөмийн амьдралын тухай ярих шаардлагагүй. Атомуудын амьдралын дундаж утгатай тэнцэх утгыг оруулснаар бид цацраг идэвхт изотопын атомууд байгаа эсэх, цацраг идэвхт задралын үр дагаврын талаар ярьж болно. Атомын цөмийн хагас задралын хугацаа нь энэ атомын шинж чанараас хамаарах ба бусад хэмжигдэхүүнээс хамаарахгүй.
Асуудлыг шийдэх боломжтой юу: дундаж наслалтыг мэдэхийн тулд хагас задралын хугацааг хэрхэн олох вэ?
Атомын дундаж наслалт ба задралын тогтмол хоорондын хамаарлын хагас задралын томьёог тодорхойляг адилхан тусалдаг.
τ=T1/2/ln2=T1/2/0, 693=1/ λ.
Энэ оруулгад τ нь дундаж наслалт, λ нь муудалтын тогтмол юм.
Хагас задралын хугацааг ашиглах
Түүхийн насыг тодорхойлоход ZRR ашиглах нь 20-р зууны сүүлчээр судалгаанд өргөн тархсан. Чулуужсан олдворуудын насыг тодорхойлох нарийвчлал маш их нэмэгдсэн тул энэ нь МЭӨ мянган жилийн амьдралын хугацааг төсөөлөх боломжтой болсон.
Органик чулуужсан дээжийн радионүүрстөрөгчийн шинжилгээ нь бүх организмд байдаг нүүрстөрөгч-14 (нүүрстөрөгчийн цацраг идэвхт изотоп)-ийн идэвхжилд суурилдаг. Энэ нь бодисын солилцооны явцад амьд организмд орж, тодорхой концентрацид агуулагддаг. Үхсэний дараа хүрээлэн буй орчинтой бодисын солилцоо зогсдог. Байгалийн задралын улмаас цацраг идэвхт нүүрстөрөгчийн концентраци буурч, идэвхжил нь пропорциональ буурдаг.
Хагас задралын хугацаа гэх мэт утга байгаа үед цацраг идэвхт задралын хууль нь организмын амьдрал дууссанаас хойшхи хугацааг тодорхойлоход тусалдаг.
Цацраг идэвхт хувиргах гинж
Цацраг идэвхт байдлын судалгааг лабораторийн нөхцөлд хийсэн. Цацраг идэвхт элементүүдийн гайхалтай чадвар нь хэдэн цаг, өдөр, бүр хэдэн жилийн турш идэвхтэй хэвээр байх нь 20-р зууны эхэн үеийн физикчдийг гайхшруулж чадахгүй байв. Жишээлбэл, торийн судалгаа гэнэтийн үр дүнд хүрсэн: хаалттай ампулыг ашиглахад түүний үйл ажиллагаа мэдэгдэхүйц байв. Бага зэрэг амьсгалахад тэр унав. Дүгнэлт нь энгийн байсан: торийн хувирал нь радон (хий) ялгардаг. Цацраг идэвхит бодисын бүх элементүүд нь физик болон химийн шинж чанараараа ялгаатай огт өөр бодис болж хувирдаг. Энэ бодис нь эргээд тогтворгүй байдаг. Гурван цуврал ижил төстэй өөрчлөлтүүд одоогоор мэдэгдэж байна.
Ийм өөрчлөлтийн талаархи мэдлэг нь атомын болон цөмийн судалгаа, гамшгийн явцад бохирдсон бүсүүдэд нэвтрэх боломжгүй байх хугацааг тодорхойлоход маш чухал юм. Плутонийн хагас задралын хугацаа нь изотопоосоо хамаарч 86 жилээс (Pu 238) 80 сая жил (Pu 244) хооронд хэлбэлздэг. Изотоп бүрийн концентраци нь тухайн нутаг дэвсгэрт халдваргүйжүүлэлт хийх хугацааны талаархи ойлголтыг өгдөг.
Хамгийн үнэтэй металл
Бидний үед алт, мөнгө, цагаан алтнаас хамаагүй үнэтэй металлууд байдаг нь мэдэгдэж байна. Эдгээрт плутони орно. Сонирхолтой нь хувьслын явцад үүссэн плутони нь байгальд байдаггүй. Ихэнх элементүүдийг лабораторийн нөхцөлд олж авсан. Плутони-239-ийг цөмийн реакторуудад ашигласан нь өнөө үед маш их алдартай болсон. Энэ изотопыг реакторуудад ашиглахад хангалттай хэмжээгээр олж авснаар үүнийг үнэлж баршгүй болгодог.
Плутони-239-ийг байгалийн нөхцөлд уран-239-ийг нептун-239 (хагас задралын хугацаа - 56 цаг) болгон хувиргасны үр дүнд олж авдаг. Үүнтэй төстэй хэлхээ нь цөмийн реакторуудад плутонийг хуримтлуулах боломжийг олгодог. Шаардлагатай хэмжээгээр харагдах хэмжээ нь байгалийнхаас давж гардагтэрбум удаа.
Эрчим хүчний хэрэглээ
Цөмийн энергийн дутагдал, хүн төрөлхтний бараг бүх нээлтийг ашиглан өөрийн төрөл зүйлийг устгадаг "хачирхалтай" байдлын талаар их ярьж болно. Цөмийн гинжин урвалд оролцох чадвартай плутони-239-ийг нээсэн нь түүнийг энх тайвны эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашиглах боломжтой болгосон. Плутонийн аналог болох Уран-235 нь дэлхий дээр маш ховор байдаг тул ураны хүдрээс түүнийг гаргаж авах нь плутони авахаас хамаагүй хэцүү.
Дэлхийн эрин үе
Цацраг идэвхт элементийн изотопын радиоизотопын шинжилгээ нь тухайн дээжийн ашиглалтын хугацааны талаар илүү үнэн зөв ойлголт өгдөг.
Дэлхийн царцдас дахь "уран-ториум" хувирлын гинжин хэлхээг ашигласнаар манай гарагийн насыг тодорхойлох боломжтой. Дэлхийн царцдас дахь эдгээр элементүүдийн дундаж хувь нь энэ аргын үндэс юм. Хамгийн сүүлийн үеийн мэдээллээр дэлхийн нас 4.6 тэрбум жил байна.
